一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法
2023-05-05 18:22:06 1
一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法
【專利摘要】本發明公開一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，涉及電子信息【技術領域】，解決了現有多個設備在無錨節點情況下自組網定位存在的系統複雜，成本過高，功耗過大等問題。該方法步驟如下：1)各設備發出定位廣播包；2)各設備接收其它設備所發送的定位廣播包，得到發送設備標識，計算該定位廣播包相對於本地時鐘的準確到達時間，並上傳到集中解算單元；3)集中解算單元處理後，獲得以各設備相對坐標為變量的方程組，求解該方程組得到各設備的相對坐標。本發明用於實現多個設備在無錨節點情況下實現自組網定位時，能夠有效降低設備功耗，減少通信信道資源佔用及減少完成一次定位所需要的時間。
【專利說明】一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子信息【技術領域】，尤其涉及利用通信技術與信息技術實現一種多個 設備在無錨節點情況下自組網定位的方法。
【背景技術】
[0002] 典型的標籤-錨節點定位方式，經常需要精確標定錨節點間的相對坐標。人工標 定方式成本高，耗時長。此時，可以將需要精確標定相對坐標的錨節點視作多個設備，這是 典型的多個設備在無錨節點情況下自組網定位問題。而緊急救援，集群設備作業等情況下， 也需要實現多個設備在無錨節點情況下自組網定位。
[0003] 現有的實現方法通常是，先測量兩兩設備間的信號強度或信號往返時間，計算出 兩兩設備之間的距離，再通過MDS (多維尺度）方法，計算出多個設備的相對坐標。其中基 於信號強度的方法測量距離的方法，受到信號反射、散射、繞射等多徑衰減與遮擋影響非常 嚴重，實際上存在較大誤差。而基於信號往返時間測量設備兩兩間的距離的方法，則需要在 兩兩設備之間信號至少一次往返才可以完成。假設有N個設備需要自組網定位，則需要測 量N* (N-l)/2次設備間距離。這會導致設備功耗大，佔用通信信道資源多，完成一次定位 耗時長，很多情況下難以滿足實際要求。
【發明內容】
[0004] 基於現有多個設備在無錨節點情況下自組網定位存在的問題，本發明的目的是提 供一種利用網絡通信技術與信號處理技術，實現多個設備在無錨節點情況下自組網定位的 方法。
[0005] 假設區域內有N個參與自組網的設備，以A1，…AN來代表。每個設備具備唯一的 標識。每個設備會發出與定位相關的特定數據包，稱為定位廣播包。該定位廣播包有如下 3個特徵：1)可以被一定範圍內的錨節點和標籤所接收；2)包含發送設備(包括錨節點與標 籤)的標識；3)採用接收設備(包括錨節點與標籤)易於計算到達時間的信號調製方式如CSS (線性調頻擴頻）調製或者採用UWB (超寬帶）信號。
[0006] 使用Taiaj表示Ai接收到Aj所發出的定位廣播包的相對於Ai本地時鐘的準確到 達時間，並以此類推。使用Xai表示Ai發出定位請求廣播包的絕對時間，並以此類推。使 用Faiaj表示Aj所發出的定位請求廣播包數據包到達Ai所需要的時間。對於無線載波通 信設備來說，該值表示定位廣播包的無線信號從Aj天線相位中心到達Ai天線相位中心所 需要的時間。該值可以認為是Aj與Ai之間的距離除以信號傳播速度，有Faiaj =Fajai， 並以此類推。使用Rai表示Ai接收器件延遲，對於無線載波通信設備來說，該值表示定位 請求廣播包無線信號從Ai天線相位中心經過射頻接收電路與模數轉換器件，轉換為數字 信號的延遲。在本方案所涉及到的時間範圍內，可以認為Ai所接收到的每個定位請求廣播 包，該值均一致。而不同的設備，該值會有不同。Taiaj - Taiam表示Aj和Am所發出定位 請求廣播包到達Ai的時間差，該時間差基於Ai的時鐘計算。考慮到當前硬體技術水準，在 本技術方案所涉及到的時間範圍內，設備時鐘的頻差與抖動可以歸於噪聲範疇而不影響數 據分析。
[0007] 本發明的技術方案具體是這樣實現的，包括如下步驟。
[0008] 1.各設備發出定位廣播包。
[0009] 根據不同應用需求，可以選擇由時間或事件觸發設備發出定位廣播包。如，每個設 備可以每隔一定時間間隔，發出定位廣播包。也可以通過管理伺服器，通知區域內的每個設 備發出定位廣播包。
[0010] 在多設備共享通信信道情況下，應該採取信道共享機制，以保障每個設備都得到 發送機會。
[0011] 並不要求各設備按照特定順序發送上述定位廣播包。
[0012] 2.每個設備接收其它設備所發送的定位請求廣播包，得到發送設備標識，計算該 定位廣播包相對於本地時鐘的準確到達時間，並將上述發送設備標識和相對於本地時鐘的 準確到達時間上傳到集中解算單元。
[0013] 根據不同應用需求，設備可以採用不同的上傳機制，可以是累積一段時間後，也可 以是累計接收到一定數量的定位廣播包後，將所接收到的多個定位廣播包的發送設備標識 和相對於本地時鐘的準確到達時間，上傳到集中解算單元。也可以是每次接收到定位請求 廣播包後，將請求廣播包的發送設備ID和到達時間，上傳到集中解算單元。
[0014] 上述集中解算單元，可以是通過某種規則選出的參與自組網定位的一臺設備，如 ID號最小的設備或能源最充足的設備，也可以是後臺伺服器。
[0015] 3.集中解算單元對於接收到的上述數據，按照下述方法進行處理。
[0016] 為分析簡單起見，不妨假設集中解算單元共接收了 N個設備所發送來的數據，每 個設備所發送來的數據內容包括：其所接收到的N-1個定位請求廣播包的發送設備標識和 相對於其本地時鐘的準確到達時間。
[0017] 以Ai, Aj, Am, An四個設備為例，l=〈i, j, m, n〈=N,且兩兩互不相等。有如下等式： Taian - Taiaj = Xan + Fanai + Rai - Xaj - Fajai - Rai,等式 l〇
[0018] 注意到，Ai的接收器件延遲Rai被相互抵消掉。
[0019] Tajan - Tajam = Xan + Fanaj + Raj - Xam - Fajam - Raj，等式 2。
[0020] Taiaj - Taiam = Xaj + Fajai + Rai - Xam - Famai - Rai，等式 3。
[0021] 由等式1 -等式2,得到： (Taian - Taiaj) - (Tajan - Tajam) = (Fanai - Fanaj) - (Fajai - Fajam) - (Xaj -Xam)，等式 4。
[0022] 由等式3,得到： Xaj - Xam = Taiaj - Taiam - (Fajai - Famai),等式 5 〇
[0023] 將等式5代入等式4,得到： (Taian - Taiaj) - (Tajan - Tajam) = (Fanai - Fanaj) - (Fajai - Fajam) - Taiaj + Taiam + Fajai - Famai = (Fanai - Fanaj) - (Taiaj - Taiam) - (Famai - Fajam),等式 6 〇
[0024] 等式6整理後得到： (Fanai - Fanaj) -(Famai - Famaj) = (Taian - Taiam) - (Tajan -Tajam),等式 7〇
[0025] 等式7兩邊同時乘以定位廣播包信號傳播速度C，得到： (Danai - Danaj) - (Damai - Damaj) = ( (Taian - Taiam) - (Tajan - Tajam))氺C,等式 8〇
[0026] 該等式右側為實測值，等式左側是各設備距離差的函數，僅與各設備的相對坐標 值有關。
[0027] N個設備情況下，根據排列組合關係，可以獲得N7(N-4) !/8個上述形式的有效方 程，組成方程組。在三維坐標系下，N個設備共有3N個坐標分量。當N=5時，上述方程組是 恰定方程組，N>5時，上述方程組是超定方程組。
[0028] 集中解算單元對於接收到的上述數據，按照上述方法生成方程組後，可以採用非 線性方程組數值計算方法，求出各個設備的相對坐標。
[0029] 按照本發明的方法，多個設備在無錨節點情況下實現自組網定位時，每個設備僅 需發出1個定位廣播包，即可實現一次自組網定位。假設區域內有N個設備需要實現自組 網定位，現有的基於信號往返時間測量設備兩兩間的距離的方法，需要N*(N_l)/2次往返 時間測量，以每次測量至少有發起和回應兩個數據包計算，實現一次自組網定位，所有設 備共需要發出N* (N-1)個數據包，而本發明方法，則一共只需要發出N個數據包，僅為現有 方法的1ΛΝ-1)，能夠有效降低設備功耗，減少通信信道資源佔用及減少完成一次定位所 需要的時間。在智慧城市與物聯網快速發展背景下，具備廣闊的應用前景。
【具體實施方式】
[0030] 本發明所述的方法的核心思想是按照
【發明內容】
中所述3個步驟，在解算單元生成 以各個設備相對坐標值為變量的方程組，並進一步求出各個設備的相對坐標。
[0031] 在下面的說明中，公知的方法將不再詳細說明，以避免與本方法的內容存在不必 要的混淆。
[0032] 步驟 1 : 錨節點所發出的定位廣播包，採用2. 4G ISM公用頻段無線信號CSS (線性調頻擴 頻）調製方式。定位廣播包中碼元的基帶信號解析式歸一化後為：s(t) = exp(j*2*pi* (f0*t+u*t*t/2)。0=〈t〈=T。其中，T為每個碼元的時間寬度，u為調頻斜率，f0為起始頻 率，pi代表圓周率，t表示離散的基帶發送採樣時刻，第一個採樣時刻記為0。
[0033] 每個設備根據自組網定位的實時性要求，每隔一定時間間隔，如1秒鐘發出定位 廣播包。
[0034] 各個設備採用CSMA/CD (載波偵聽多路訪問/碰撞檢測）方式，共享無線信道。
[0035] 步驟 2 : 接收設備可以借鑑LFMCW (線性調頻連續波）雷達技術，計算出所接收到的定位廣播包 中第一個碼元相對於本地時鐘的準確到達時間。
[0036] 具體計算方法如下。
[0037] 1)生成本地碼元基帶參考信號：r(t) =exp(j*2*pi* (f0*t+u*t*t/2), 0=〈t〈=T。 其中，T為每個碼元的時間寬度，u為調頻斜率，fO為起始頻率，pi代表圓周率，t表示離散 的基帶接收採樣時刻，第一個採樣時刻記為0。
[0038] 2)將所生成的本地碼元基帶參考信號與所接收到的第一個碼元基帶信號混頻。
[0039] 不考慮接發送設備與接收設備存在相對運動的情況或者發送設備與接設備時鐘 頻率不一致的情況，接收設備所接收到的定位廣播包中第一個碼元基帶信號可以表示為： s(t) =a* exp(j*2*pi*(f0*(t+dt)+u*(t+dt)*(t+dt)/2), 0=〈t〈=T。其中，a為接收信號幅 值，T為每個碼元的時間寬度，u為調頻斜率，fO為起始頻率，pi代表圓周率，t表示離散的 基帶接收採樣時刻，第一個採樣時刻記為〇。dt表示接收設備所接收到的第一個碼元基帶 信號相對於接收設備起始採樣時刻的時間偏移。混頻信號的低頻成分df近似等於u*dt。
[0040] 3)先對混頻信號做FFT (快速傅立葉)運算。考慮到信號多徑問題，即定位廣播包 信號會沿多條路逕到達，從而在混頻信號低頻成分中形成多個譜峰，其中頻率值最大的譜 峰代表了最先到達信號與本地碼元基帶參考信號的頻差。找出上述峰值點K後，還需要計 算K-1和K+1兩點處的頻率值。在這兩個頻率值區間對上述混頻信號做CZT變換（Chirp- z 變換)，就可以計算出最先到達信號與本地碼元基帶參考信號的頻差精確值df。根據公式 dt = df/u，計算出dt，即接收到的第一個碼元基帶信號相對於接收設備起始採樣時刻的時 間偏移。
[0041] 4)接收設備採樣時刻以本地時鐘作為參考，假設所接收到的信號起始採樣時刻為 接收設備啟動後的第P個時鐘周期，可以計算出定位廣播包中第一個碼元基帶信號相對於 接收設備本地時鐘的準確到達時間=P/接收設備時鐘頻率-dt，以此作為定位廣播包相 對於接收設備本地時鐘的準確到達時間。
[0042] 在發送與接收設備存在相對運動的情況，或者發送設備與接設備時鐘頻率不一致 的情況下，依然可以採用上述方法得到定位廣播包中第一個碼元基帶信號相對於接收設備 本地時鐘的準確到達時間，這樣計算出的到達時間與真實值存在偏差，考慮到現有時鐘精 確度及大多數定位應用場景下，該偏差可以視作噪聲幹擾，可以在後續的處理過程中採用 抗噪聲方法計算標籤相對坐標。
[0043] 步驟 3 : 集中解算單兀生成 FmOai-FmOaj = (TaimO-Taiak) -(TajmO-TajalO-CFaiak-Fajak) (各變量含義已在
【發明內容】
中詳述 ) 形式的方程組後，可以採用典型的非線性方程組 數值方法，如基於最小二乘的非線性方程組求解方法求解，該方法具備一定的抗噪聲能力， 可以得到各個設備的相對坐標。
[0044] 當然，本發明不局限於上述【具體實施方式】。實施本發明時，步驟1中，設備可採用 其他信號來傳播定位廣播包，如聲波，超聲波或超寬帶無線信號；步驟2中，設備可以採用 其他方法的求解信號準確到達時間，如超解析度算法等；步驟3中，集中解算單元可以採取 不同的方法，來求解所獲得的方程組。但只要其採用
【發明內容】
中所述3個步驟，在解算單元 生成以各個設備相對坐標值為變量的方程組，並進一步求出各個設備的相對坐標，則均落 入本發明保護範圍。
【權利要求】
1. 一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，其特徵是包括如下步驟： 1) 各設備發出定位廣播包； 2) 每個設備接收其它設備所發送的定位請求廣播包，得到發送設備標識，計算該定位 廣播包相對於本地時鐘的準確到達時間，並將上述發送設備標識和相對於本地時鐘的準確 到達時間上傳到集中解算單元； 3) 集中解算單元對於接收到的上述數據進行處理，獲得以各設備相對坐標為變量的方 程組，求解上述方程組得到各設備的相對坐標。
2. 根據權利要求1所述的一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，其特徵 在於，各個設備之間不需要時鐘同步。
3. 根據權利要求1所述的一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，其特徵 在於，步驟1)所述的各設備發出定位廣播包，並不要求各設備按照特定順序發送上述定位 廣播包。
4. 根據權利要求1所述的一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，其特徵 在於，步驟1)所述的定位廣播包具備如下4個特徵：1)可以被一定範圍內的錨節點和標籤 所接收；2)包含發送設備(包括錨節點與標籤）的標識；3)採用接收設備(包括錨節點與標 籤)易於計算到達時間的信號調製方式如CSS (線性調頻擴頻)調製或者採用UWB (超寬帶） 信號。
5. 根據權利要求1所述的一種多個設備在無錨節點情況下自組網定位的方法，其特徵 在於，步驟3)所述的解算單元對於接收到的上述數據進行處理，獲得以各設備相對坐標為 變量的方程組，方程組中各方程形式如下： (Danai - Danaj) - (Damai - Damaj) = ((Taian - Taiam) -(Tajan - Tajam))氺C ; 其中，Danai表示第n個設備與第i個設備間距離，Danaj表示第n個設備與第j個設 備間距離，Damai表示第m個設備與第i個設備間距離，Damaj表示第m個設備與第j個設 備間距離，Taian表示第i個設備接收到第η個設備所發出的定位廣播包的相對第i個設 備時鐘的準確到達時間，Taiam表示第i個設備接收到第m個設備所發出的定位廣播包的 相對第i個設備時鐘的準確到達時間，Tajan表示第j個設備接收到第η個設備所發出的 定位廣播包的相對第j個設備時鐘的準確到達時間，Tajam表示第j個設備接收到第m個 設備所發出的定位廣播包的相對第j個設備時鐘的準確到達時間，C表示上述定位廣播包 信號的傳播速度； 上述等式左側是各個設備相對坐標的函數，右側是實測值；區域內有N個設備參與定 位的情況下，有N7(N-4) !/8個上述形式的方程，組成方程組。
【文檔編號】G01S5/10GK104142490SQ201410278478
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】林偉 申請人:林偉